雙熱源熱水鍋爐裝置工作原理及優化設計

賀銀根， 楊九明， 朱發新， 莫樹常， 李克健

(浙江海洋學院 海運與港航建筑工程學院， 浙江 舟山 316000)

雙熱源熱水鍋爐裝置工作原理及優化設計

賀銀根， 楊九明， 朱發新， 莫樹常， 李克健

(浙江海洋學院 海運與港航建筑工程學院， 浙江 舟山 316000)

中央冷卻系統對于船舶柴油機的正常工作是必不可少的，但是也存在著船舶柴油機的熱效率較低、設備腐蝕損壞、淡水污染與浪費等問題。針對這些問題，介紹了一種雙熱源熱水鍋爐裝置的組成及工作原理，并針對雙熱源鍋爐裝置存在的問題與不足進行了優化設計。

主機 中央冷卻系統 雙熱源熱水鍋爐 優化設計

1 引言

柴油機作為船舶的主推進動力裝置，具有熱效率高、功率范圍廣、機動性好、可直接反轉等優點，在現代貨物運輸中發揮了很大的作用。盡管柴油機在內燃機中熱效率最高，但是也只有50%左右，其余部分則通過冷卻水、排氣等損失掉。其中主機缸套冷卻水帶走的熱量高達20%～30%，如何充分利用船舶缸套冷卻水的余熱、提高柴油機的熱效率，以及改善船舶動力裝置的經濟性，成為了眾多專家和學者研究的熱點。

2 船舶中央冷卻系統簡介

2.1 船舶中央冷卻系統組成及工作原理

船舶中央冷卻系統由高溫淡水系統 、低溫淡水系統和海水系統組成，具體工作原理為：高溫淡水系統中的高溫淡水主要用于冷卻主機燃燒室部件(缸套等)，通過主機出口溫度調節閥，將主機出來的冷卻水保持在70℃左右，然后進入除氣柜，除去其中的空氣到達造水機，利用余熱提高主機的效率，高溫淡水在缸套水冷卻器中經過低溫淡水的冷卻，溫度降低，再次進入主機對主機燃燒室零部件進行冷卻降溫，從而循環往復。

海水系統中海水由海水泵從海底門吸入，經海水管路到達中央冷卻器的海水入口，在中央冷卻器內與低溫淡水進行熱量交換，從海水出口排出，大部分海水直接經海水管路排出舷外，其余海水在海水入口溫度調節閥的作用下重新進入海水泵吸入口，調節進入中央冷卻器的海水溫度。

2.2 中央冷卻系統存在的問題

在船舶中央冷卻系統中，海水與低溫淡水發生熱量交換，海水溫度升高后，大部分海水排出舷外，同時也帶走熱量，降低了船舶柴油機的熱效率。

在船舶中央冷卻系統中，循環的海水具有腐蝕性，會腐蝕中央冷卻器和管路，增加了船舶柴油機缸套中央冷卻系統的維護保養工作，降低了設備及管路的使用壽命。

海水的腐蝕也可能導致設備及管路等穿孔泄漏。一旦海水泄漏到淡水中，不僅造成淡水污染，影響冷卻效果，還會造成淡水的浪費、設備的損壞等。

3 雙熱源熱水鍋爐裝置簡介

3.1 柴油機缸套冷卻水余熱利用的可行性分析

采訪工作是文獻資源建設的起始，它影響著圖書館館藏的數量和質量，以及對讀者需求的滿足程度[1]。當下高速發展的網絡環境為文獻采訪工作的效率提升提供新的契機，但同時也帶來了不可避免的挑戰。信息爆炸式增長的時代，信息量劇增、種類繁多，傳統的圖書采購模式已不能適應信息資源建設的高度發展，為了節約采購成本和時間，達到資源建設的最優化，國內外圖書館紛紛采取聯合采購的資源共建共享模式來扭轉孤軍奮戰、勢單力薄的局勢。

船舶中央冷卻系統對于船舶柴油機的正常工作是必不可少的，不僅可以維持柴油機燃燒室受熱部件的足夠強度，減少受熱部件的熱應力避免損壞，還可以保證運動部件具有適當的間隙和油膜。但也存在著船舶柴油機的熱效率較低、設備腐蝕損壞、淡水污染與浪費等問題。

受到船舶空間的限制，淡水的攜帶量是有限的，因而對淡水的充分高效合理利用具有重大意義。雙熱源熱水鍋爐的最大優點之一就是能夠循環高效利用淡水，并且不需要海水，避免了設備腐蝕及損壞等問題。

中型的客船、客貨船因人員較多，對能量和淡水的需求量都很大。油船主要用于運輸原油，為了防止原油的凝固不能卸油，則需要大量的熱量對原油加熱，也對能量有大量的需求，因此雙熱源鍋爐最適用于油船、客船、客貨船等船舶。

加熱后的鍋爐水被間接作為船舶耗能的熱源，加熱燃油、滑油和鍋爐給水，燃油艙(或燃油柜)，同時可為生活用水及艙室供暖，或作吸收式制冷裝置的熱源等[2]。

3.2 雙熱源熱水鍋爐裝置工作原理

如圖1所示為新型雙熱源熱水鍋爐裝置的結構及組成部件。本熱水鍋爐能在航行中有效利用主機缸套高溫淡水，通過熱水鍋爐內部高溫淡水熱交換器10使熱水鍋爐水溫加熱到60 ℃～70℃，為各耗能設備提供熱源。

在停航時，該裝置還能通過燃油燃燒器9點火升溫使熱水鍋爐為耗能設備供熱，因此有了雙熱源熱水鍋爐裝置還可以省掉主機暖缸系統。在停航中通過熱水鍋爐高溫淡水熱交換器為主機暖缸。該裝置對于每個耗能設備加熱器采用管式離心泵3強制循環，回水管安裝鋼化玻璃觀察鏡6可以方便檢測耗能設備加熱器是否破損，回水管安裝溫度傳感器可以通過檢測回水溫度控制管式離心泵3的轉速，從而控制加熱溫度。

圖1 雙熱源熱水鍋爐裝置圖

3.3 雙熱源熱水鍋爐裝置存在的問題

由于新型雙熱源熱水鍋爐尚處于研發狀態，因此在自動控制、管理和操作方面存在以下問題。

(1) 在主機缸套高溫淡水循環管路中，不能夠有效控制溫度，主機缸套進出水溫差不同，導致缸套內部產生熱應力，影響其穩定性。

(2) 在鍋爐淡水循環使用過程中，當船舶耗能設備耗水量較大時，出水管內的水來不及補充，會導致水壓降低，使溶于水中的空氣析出形成空泡，于是在管道內壁會產生嚴重的空泡腐蝕，致使管壁以及鍋爐腐蝕。長時間出現空泡腐蝕會引起管壁破裂，甚至損壞鍋爐，影響到整個裝置的正常運作。

(3) 流過耗能設備后的低溫淡水，會導致空氣中的雜質或者污染物質進入水中。如果沒有經過處理就讓水進入鍋爐或長時間在管道中流動，將影響整個鍋爐中的淡水水質，從而影響整個裝置的可靠性。

(4) 對于鍋爐本體，其壓力和水位不能有效控制。在長期使用過程中，鍋爐內部環境條件也會變差，如不能及時對其內部環境進行清理，則會存在很多安全隱患。因此，有必要對其進行優化設計。

4 雙熱源熱水鍋爐裝置的優化設計

為了使新型鍋爐更好、更安全、更穩定地應用在船舶上，對其結構和裝置的功能做了簡要分析，并對裝置進行了優化設計。

4.1 主機缸套高溫淡水管路的優化設計

如圖2所示，經過三通閥11流過熱交換器17之后通過回水閥16進入主機，溫度需要控制在特定溫度，由此在出口聯箱14處設置一個溫度感應器，控制旁通閥13以及高溫熱水泵12的流量。使主機高溫淡水與流過熱交換器后的淡水混合，以達到特定溫度，自動控制出水閥排水，在流量過大致使出口聯箱膨脹時，立即開啟安全閥15泄流，確保管路正常運行。

圖2 優化后的主機缸套高溫淡水循環管路

4.2 鍋爐水流道管路的優化設計

如圖3所示，在鍋爐使用中，當船舶耗能設備需要大量水時，出水管內的水來不及補充，會導致水壓降低，使溶于水中的空氣析出形成空泡，從而管道內壁會產生嚴重的空泡腐蝕，長時間的腐蝕會引起管壁破裂，甚至損壞鍋爐，影響到整個裝置正常運作。因此，在管壁上設置一個鋼化玻璃觀察鏡20，并附裝一個壓強感應器，通過觀察掌握淡水的循環量，達到控制高溫淡水泵的目的。

圖3 優化后的鍋爐出水管系

出水閥18處設有溫度感應器和鍋爐水位控制裝置，當溫度低于設定出口溫度或鍋爐水位低于設定最低水位時，出水閥自動關閉。

優化后的鍋爐回水管系如圖4所示，流過耗能設備后的低溫淡水，有可能使空氣中的雜質或者污染物進入水中，雜質進入鍋爐或長時間在管道中流動，就會影響整個鍋爐水的水質。因此，在這個管道上設置一個水處理器21，用于處理回流的低溫淡水。

圖4 優化后的鍋爐回水管系

水處理器后的自動控制玻璃觀察器22用于觀察處理過的低溫淡水的品質。若經過處理的淡水水質符合標準，則回流三通閥23自動打開。若經過處理后的低溫淡水質不符合標準，則說明未處理干凈，此時通過旁通閥24再通過水處理器21處理。合格的淡水，則通過回流三通閥23回到鍋爐中，仍不合格則通過排污閥25排出裝置。

4.3 鍋爐本體的優化設計

如圖5所示，在鍋爐下端用法蘭連接管道，并在管道上接上截止止回閥26，管道通向鍋爐頂端，同時連接排污閥27和安全閥28，并將管道固定在鍋爐的外壁上。排污閥能起到定期檢查和更換鍋爐水的作用，安全閥28控制鍋爐內的壓強。

在鍋爐的上端接另一管道，管道仍固定于鍋爐外壁上，管道上連接排水閥29，同時管道上設置旁通閥30，管道上平管道處接安全閥，下端接補水閥31。汽水筒前端的專用管道上安裝兩個水位表32，左右各一個用于觀察鍋爐內的水位，同時起到水位預警的作用。

船舶停航過程中，采用蒸汽機械式噴油器33替換噴油燃燒器，以提高燃油的適應性，增大調節比，使運行更安全可靠，而且不需要經常清洗，其火焰也更易于控制。

4.4 優化后的雙熱源熱水鍋爐裝置

圖5 鍋爐本體的優化設計

優化后的雙熱源熱水鍋爐裝置如圖6所示，該裝置主要由柴油機缸套高溫淡水管路、鍋爐進出口淡水管路及鍋爐本體組成，具體組成及工作原理如前文所述。

圖6 優化后的雙熱源熱水鍋爐裝置

5 結論

文章以船舶主柴油機缸套高溫淡水余熱利用，提高柴油機的熱效率，改善船舶動力裝置的經濟性為目的，分析了船舶上常用的中央冷卻系統的組成及工作原理，并針對中央冷卻系統存在的船舶柴油機的熱效率較低、設備腐蝕損壞、淡水污染與浪費等缺點與不足，介紹了新型雙熱源熱水鍋爐裝置的組成及工作原理。由于雙熱源熱水鍋爐在船舶上仍使用不多，還處于試驗開發階段，從結構上分析了雙熱源熱水鍋爐裝置存在的問題，并對其進行了優化設計。

[1] 吳舟超.船舶起貨機液壓系統可靠性分析機優化設計研究[J].中國水運，2012,2：89-90.

[2] 劉世杰.高溫熱泵回收船舶柴油機余熱的應用分析[J].集美大學學報，2010,2：133-136.

[3] 馬量.船舶主機缸套冷卻水溫度前饋——反饋控制的研究[J].船舶工程，2009,4：20-23.

[4] 王宏智.船舶柴油機冷卻水溫度控制系統的設計[J].青島遠洋船員學院學報，2006,4：17-19.

Studies on Working Principle and Optimization Designs of the Double Heat Sources Hot Water Boiler

HE Yin-gen， YANG Jiu-ming， ZHU Fa-xin， MO Shu-chang， LI Ke-jian

(Maritime College of Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316000, China)

Central cooling system is essential to normal work of marine diesel engine, however, there are also some defects or problems, such as lower thermal efficiency of marine diesel engine, equipment corrosion and damage, fresh water pollution and waste etc. Based on these problems, the paper describes the composition and working principle of a two-heat sources hot water boiler device, optimization designs of the double heat sources hot water boiler equipment are given in view of some efficiences in the double heat sources hot water boiler equipment.

Main engine Central cooling system Double heat sources hot water boiler Optimization design

2014年浙江省自然科學基金項目，編號Q14E090003；2013年浙江省高等教育課堂教學改革項目，編號kg2013196；2013年浙江海洋學院大學生科技創新重點培育項目(船舶新型雙熱源熱水鍋爐研究與應用)。

賀銀根(1993-)，男，大學本科。

U664

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